未來的無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)將在有限的頻譜資源和時(shí)變信道環(huán)境下，支持大量的用戶，支持用戶的QoS需求，提供更高的數(shù)據(jù)率。OFDMA技術(shù)不僅具有OFDM抗擊符號(hào)間干擾和頻率選擇性的特點(diǎn)，同時(shí)還提供了多用戶分集等增益，是未來移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
    OFDMA技術(shù)具有高頻譜利用效率和靈活的資源分配特征，在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中，是一種較理想的用戶接入方式。與其他多用戶接入方式相比，例如TDMA，OFDMA更適合高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[1]。正是OFDMA這種調(diào)制和接入技術(shù)的靈活性，激發(fā)了在資源分配方面的大量研究活動(dòng)。為了提高帶寬效率和增強(qiáng)系統(tǒng)性能，子載波、功率、數(shù)據(jù)率等可在不同用戶或者子載波間進(jìn)行分配，稱為基于信道的自適應(yīng)傳輸。為了更好地適應(yīng)信道，發(fā)送端需要知道精確的信道信息[2],在實(shí)際無線通信中，由于反饋延遲，信道估計(jì)誤差等因素，僅僅只有不完美信道信息能夠獲取。
    OFDMA系統(tǒng)中的資源分配[3-6]涉及子載波、功率、自適應(yīng)調(diào)制、比特等，幾種資源的聯(lián)合優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜度極高的問題。常見的優(yōu)化算法分為兩大類：一是基于用戶數(shù)據(jù)率或誤碼率的約束，最小化總的發(fā)送功率；另一類[7]是給定總的發(fā)送功率約束，最大化每個(gè)用戶的系統(tǒng)容量。基于不同的調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，可以形成不同的分配算法。以往的很多分配算法通常是假設(shè)發(fā)射端具有理想信道信息，根據(jù)名義上的理想信道信息分配的數(shù)據(jù)率不被真實(shí)的信道支持，會(huì)造成傳輸?shù)闹袛嗍录ａ槍?duì)OFDMA下行鏈路發(fā)送端只能獲得部分信道信息的情況，提出了一種基于部分信道信息的資源分配算法。本文重點(diǎn)考慮了單蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路，假定發(fā)送端具有部分信道信息。研究了功率和子載波的分配問題，采用分步優(yōu)化的方法：先考慮子載波的分配，再考慮功率的分配。
1系統(tǒng)模型
    通常，典型的OFDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。信道狀態(tài)信息通過反饋信道，由移動(dòng)用戶反饋到基站，提供給子載波/功率分配算法模塊使用。考慮下行鏈路，假設(shè)共有K個(gè)用戶和N個(gè)子載波,基站和移動(dòng)用戶均配備單天線。假定符號(hào)間干擾被OFDM技術(shù)完全消除，也就是說，在每個(gè)子載波內(nèi)，頻率響應(yīng)是平坦的。系統(tǒng)總的發(fā)射功率被約束為P,零均值獨(dú)立同分布的高斯噪聲加在接收機(jī)端。基站根據(jù)信道條件動(dòng)態(tài)分配功率和子載波，令Ci代表分配給用戶i的子載波集合。假設(shè)每個(gè)子載波最多被一個(gè)用戶使用，也就是說，對(duì)于i≠j，滿足Ci∩Cj=Φ。基站為了滿足資源分配的目標(biāo)，必須要為每個(gè)用戶確定Ci和分配功率。

    理想情況下，應(yīng)對(duì)子載波和功率聯(lián)合進(jìn)行分配，以獲得最優(yōu)解。然而，這種方法復(fù)雜度非常高，也很難對(duì)變化的信道做出及時(shí)響應(yīng)。本文采用次優(yōu)化的分步優(yōu)化算法，降低算法的復(fù)雜度。pi,j代表分配給用戶i在子載波j上的功率，γi,j代表用戶i在子載波j上的單位發(fā)送功率下的接收信噪比。為了得到優(yōu)化算法，總功率約束條件下的用戶吞吐量最大化為目標(biāo)的資源分配優(yōu)化問題,可做如下描述:

2 分配算法描述
    為了獲取最優(yōu)的資源分配，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)，采用拉格朗日優(yōu)化方法，等價(jià)于優(yōu)化如下的代價(jià)函數(shù):

    為了得到用戶i在子載波j上的功率分配，需要先求出分配給用戶i的總功率Pi，然后按上述公式在用戶i的子載波間進(jìn)行分配。關(guān)于Pi的計(jì)算,可以參考文獻(xiàn)[7]，但運(yùn)算復(fù)雜度較高。具體算法步驟如下：
    B1:子載波在用戶間的分配。初始時(shí)，假設(shè)每個(gè)用戶分配的子載波數(shù)為零。然后對(duì)每個(gè)用戶，依次分配對(duì)此用戶而言信道條件最好的子載波。分配完后，如果還有剩余的子載波，則尋找信道容量最小的用戶，對(duì)此用戶分配信道條件最好的子載波。如果還有子載波，繼續(xù)重復(fù)這一過程，直到所有的子載波被分配完。
    B2:決定分配給某個(gè)用戶的功率Pi，然后根據(jù)(7)式?jīng)Q定某用戶功率在子載波間的分配。
3 簡(jiǎn)化算法和實(shí)際考慮
    由于算法復(fù)雜度太高，下面進(jìn)一步研究在實(shí)際應(yīng)用中考慮的問題，并進(jìn)行簡(jiǎn)化。第2節(jié)的討論是基于理想的信道信息實(shí)現(xiàn)的資源分配算法，這在實(shí)際中是不可行的。現(xiàn)考慮下行鏈路的發(fā)送端擁有部分(不完美)的信道信息，在TDD雙工模式下，信道估計(jì)通過反饋信道送到發(fā)送端。由于信道估計(jì)誤差、反饋延遲、量化等因素，發(fā)送端只能獲得不完美信道信息，或稱為名義上的信道信息，如果根據(jù)不完美信道信息為用戶分配子載波、數(shù)據(jù)率、功率等是不可靠的，因?yàn)樗惴ǚ峙涞馁Y源很可能不被真實(shí)的信道條件支持，從而造成傳輸中斷事件的發(fā)生，浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。因此研究資源分配算法時(shí)應(yīng)該考慮傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.com/tags/中斷概率" title="中斷概率" target="_blank">中斷概率或者成功發(fā)送的實(shí)際吞吐量，更符合實(shí)際情況。假設(shè)第i個(gè)用戶的第j個(gè)子載波信道增益為:

4 仿真結(jié)果
    根據(jù)上述討論，對(duì)本文的資源分配算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，以驗(yàn)證算法的合理性。仿真主要針對(duì)單小區(qū)OFDMA系統(tǒng)的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸，用戶數(shù)考慮從2個(gè)到10個(gè)。在仿真中，無線信道[9]被建模為頻率選擇性的多徑信道，包含6條獨(dú)立瑞利衰落的多徑信道。假設(shè)功率延遲分布服從指數(shù)分布，系統(tǒng)帶寬為1 MHz，劃分為64個(gè)子載波。時(shí)延擴(kuò)展為5 ?滋s，最大多普勒頻率為30 Hz。在仿真中比較了基于理想容量的資源分配和基于一定中斷概率下實(shí)際吞吐量的資源分配算法。具體仿真結(jié)果如圖2所示。
    圖2顯示了OFDMA下行鏈路中的實(shí)際吞吐量與用戶的對(duì)應(yīng)圖形。從圖中可以看出，采用自適應(yīng)資源分配算法獲得了較大容量的增益;對(duì)于自適應(yīng)資源分配算法，隨著用戶數(shù)目的增加，系統(tǒng)將獲得更高的吞吐量[10]。這主要是采用了鏈路自適應(yīng)技術(shù)，隨著用戶的增加，可以獲取多用戶分集增益。也就是說，一個(gè)子載波對(duì)于所有用戶而言，它都處于深衰的概率大大降低。此外，本文的算法比基于理想容量?jī)?yōu)化的資源分配算法所獲得的goodput(實(shí)際吞吐量)要高，這是因?yàn)榛诶硐肴萘糠峙涞乃惴ǎJ(rèn)為所獲得的信道條件是理想的。由此分配的數(shù)據(jù)率、子載波等資源不被真實(shí)的信道所支持，具有較大的中斷概率，因此算法的實(shí)際吞吐量比較低。

    本文研究了OFDMA系統(tǒng)中的資源分配問題，所給出的算法基于鏈路自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道條件來決定分配算法。與其他算法相比，考慮了信道估計(jì)的誤差和傳輸中斷概率，采用基于在一定中斷概率條件下的實(shí)際吞吐量?jī)?yōu)化算法，更加符合實(shí)際情況。仿真結(jié)果表明，該方法獲得了較好的多用戶分集增益和實(shí)際吞吐量性能。在適當(dāng)條件下，比如高信噪比條件下，算法可以進(jìn)一步大大降低運(yùn)算復(fù)雜度。
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